SCADA系統(tǒng)在城市燃?xì)庑袠I(yè)的應(yīng)用

李志強(qiáng)

摘要：隨著城市用戶逐年增長、管線日益增多，為保障管道燃?xì)獍踩按_保城市用戶安全穩(wěn)定用氣，烏魯木齊自2003年竣工投產(chǎn)SCADA系統(tǒng)項(xiàng)目，SCADA系統(tǒng)是利用GPRS無線及光纖數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)燃?xì)夤芫W(wǎng)和場站的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視、控制和管理，為生產(chǎn)運(yùn)行的科學(xué)管理和調(diào)度提供科學(xué)的依據(jù)。經(jīng)歷17年的發(fā)展，SCADA系統(tǒng)從單一的運(yùn)行監(jiān)控到全面掌控城市輸配體系，其在日常天然氣輸配運(yùn)行過程中所起到的功能和作用，也隨這輸配系統(tǒng)的不斷發(fā)展而得到了顯著提升。

關(guān)健詞：SCADA系統(tǒng);組成;調(diào)壓站;監(jiān)控;應(yīng)用;

引言：城市燃?xì)釹CADA系統(tǒng)是一個(gè)安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、性能穩(wěn)定、操作方便、易于擴(kuò)展及開發(fā)、經(jīng)濟(jì)合理、性能價(jià)格比高的，適用于天然氣管道工程的SCADA系統(tǒng)。它實(shí)現(xiàn)燃?xì)夤芫W(wǎng)和場站的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視、控制和管理，為生產(chǎn)運(yùn)行的科學(xué)管理和調(diào)度提供科學(xué)的依據(jù)。

1城市燃?xì)釹CADA系統(tǒng)概述

1.1系統(tǒng)描述

SCADA的英文是Supervisory Control And Data Acquisition，譯成中文就是數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的DCS與電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng);它應(yīng)用領(lǐng)域很廣，可以應(yīng)用于電力、冶金、石油、化工、燃?xì)?、鐵路等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域 。

SCADA系統(tǒng)是一類功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)督與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它綜合利用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，完成了對測控點(diǎn)分散的各種過程或設(shè)備的實(shí)施數(shù)據(jù)采集，本地或遠(yuǎn)程的自動(dòng)控制，以及生產(chǎn)過程的全面實(shí)施監(jiān)控，并為安全生產(chǎn)、調(diào)度、管理、優(yōu)化和故障診斷提供必要和完整的數(shù)據(jù)及技術(shù)手段。

SCADA系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)。它可以對現(xiàn)場的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制。SCADA系統(tǒng)主要有以下部分組成：監(jiān)控計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程終端單元（RTU）、可編程邏輯控制器（PLC）、通信基礎(chǔ)設(shè)施、人機(jī)界面（HMI）。

1.2系統(tǒng)特點(diǎn)

一般來講，SCADA系統(tǒng)指分布式計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)特指分布式計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)，

主要用于測控點(diǎn)十分分散、分布范圍廣泛的生產(chǎn)過程或設(shè)備的監(jiān)控，通常情況下，測控現(xiàn)場是無人或少人值守。

1.3系統(tǒng)原理

為了使整個(gè)大慶燃?xì)釹CADA系統(tǒng)更可靠安全，容易操作，我們把整個(gè)系統(tǒng)分成幾個(gè)功能層次，見下圖。

1.3.1信息層

服務(wù)器為2個(gè)Sun Solaris Unix機(jī)器，互為冗余備份，并安裝IA SCADAmaster stations 軟件。

1.3.2通訊層

●有線部分（光纖， ADSL）

●無線部分（SCDMA）

有線部分最終接口是RJ-45，固定IP，在同一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)。中心和調(diào)壓站、計(jì)量站、調(diào)壓+計(jì)量站的通訊使用SCDMA無線通訊， SCADA系統(tǒng)要求完全透明通道。

1.3.3控制層

控制層由RTU控制單元和站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)兩大部分組成。RTU設(shè)置在現(xiàn)場，它由CPU模塊、IO模塊、電源模塊、通信模塊等組成，可實(shí)現(xiàn)對各調(diào)壓箱、計(jì)量箱現(xiàn)場情況的監(jiān)控。CNG母站、CNG子站和供氣門站內(nèi)均設(shè)有由PLC和計(jì)算機(jī)組成的站控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對站內(nèi)數(shù)據(jù)的事實(shí)監(jiān)控。

1.3.4設(shè)備層

這一層由溫度變送器、壓力變送器、可燃?xì)怏w報(bào)警器和流量計(jì)等現(xiàn)場儀表和門禁開關(guān)等開關(guān)量信號組成傳感單元;由各類電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和繼電器輸出觸點(diǎn)組成控制單元，實(shí)現(xiàn)對調(diào)壓站、計(jì)量站、CNG站和門站的現(xiàn)場信號采集及控制指令執(zhí)行。

2 SCADA系統(tǒng)的組成

2.1無人值守單元RTU

RTU的作用是進(jìn)行本地的數(shù)據(jù)采集及發(fā)送，完成本地的控制，接受并完成遠(yuǎn)程控制。進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，實(shí)時(shí)采集本地的相關(guān)生產(chǎn)參數(shù)，作為一個(gè)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)通信單元，將所采集的參數(shù)定時(shí)或即時(shí)（當(dāng)有故障報(bào)警時(shí)）發(fā)送給.上級監(jiān)控站或中心站。進(jìn)行本地控制時(shí)，作為系統(tǒng)中一個(gè)獨(dú)立的工作站，RIU可獨(dú)立地完成聯(lián)鎖控制、PID調(diào)節(jié)、邏輯控制、前饋控制及時(shí)序控制等功能。進(jìn)行遠(yuǎn)程控制時(shí)，可即時(shí)接受上級站的遠(yuǎn)程控制指令，按指令完成本地控制。

RTU主要配置有CPU模塊、模擬量IO模塊、數(shù)字量IO模塊、通信模塊、電源、通信設(shè)備、機(jī)箱、一次測量儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。RTU完成任務(wù)流程取決于安裝于CPU模塊中的程序，CPU的程序- -般由計(jì)算機(jī)高級語言或梯形圖編寫，然后下載到CPU模塊中。

2.2有人值守監(jiān)控站

有人值守監(jiān)控站的作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視及管理，完成本地的控制，下達(dá)遠(yuǎn)程控制指令及完成遠(yuǎn)程控制。進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視及管理時(shí)，實(shí)時(shí)采集本地生產(chǎn)場所的相關(guān)數(shù)據(jù)，定時(shí)或即時(shí)接納下級站的數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行監(jiān)視打印及管理，定時(shí)或即時(shí)向上級站發(fā)送本地?cái)?shù)據(jù)。進(jìn)行本地控制時(shí)，作為系統(tǒng)中一個(gè)獨(dú)立的工作站，可獨(dú)立完成本地的PID調(diào)節(jié)聯(lián)鎖控制、反饋控制、前饋控制邏輯控制及時(shí)序控制等調(diào)節(jié)控制功能。其遠(yuǎn)程控制功能主要是完成上級站下發(fā)的控制指令，對下級站發(fā)出控制指令。有人值守監(jiān)控站主要配置有工業(yè)PC機(jī)、可編程控制器（PLC）、通信設(shè)備、電源機(jī)柜、-次測量儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，典型配置見圖1。工控機(jī)通過組態(tài)軟件完成其功能，HLC的編程采用梯形圖。

2.3調(diào)度中心站

調(diào)度中心站的作用是實(shí)時(shí)采集下級站的運(yùn)行參數(shù)，從而進(jìn)行負(fù)荷分析、優(yōu)化調(diào)度、狀態(tài)評估、故障預(yù)報(bào)與分析、計(jì)量管理，向下級站下達(dá)遙控指令，并完成工況圖、統(tǒng)計(jì)曲線報(bào)表等管理功能。其主要配置有容錯(cuò)小型機(jī)、工程師工作站、操作員工作站、通信機(jī)大屏幕投影儀、打印機(jī)、平板繪圖儀和圖形拷貝機(jī)等。調(diào)度中心站是一個(gè)局城網(wǎng)系統(tǒng)，可包含多個(gè)工作站和支持網(wǎng)絡(luò)功能的設(shè)備。它的軟件支持是組態(tài)軟件。

2.4通信網(wǎng)絡(luò)及通信方式

通信網(wǎng)絡(luò)采用無線通信有線通信、光纖通信和衛(wèi)星通信四種組合。通信方式有以下4種： （1）輪詢方式 由系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)時(shí)間周期，每隔一個(gè)時(shí)間段，系統(tǒng)進(jìn)行一次查詢，收集中心站所需要的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

（2）廣播方式中心站向所有下級站下發(fā)命。

（3）控制命令下發(fā)方式 ?如下發(fā)開、關(guān)控制命令修改報(bào)警及控制權(quán)限，在通信上有較高的優(yōu)先級。

（4）下級站觸發(fā)通信方式 ?包括事件觸發(fā)方式，突發(fā)傳輸方式以及下級站在事故或非正常狀況下向中心站突發(fā)數(shù)據(jù)。

3 ?SCADA 系統(tǒng)在燃?xì)庑袠I(yè)的應(yīng)用狀況

我國于80年代開始引進(jìn)和開發(fā) SCADA 系統(tǒng)，進(jìn)入 90 年代后，隨著燃?xì)馐聵I(yè)在國內(nèi)的快速發(fā)展，很多燃?xì)馄髽I(yè)開始這一方面的工作，大多數(shù)企業(yè)采用國外廠家的 PLC 產(chǎn)品作子站的RTU部分，傳輸方式多以無線為主，中心控制系統(tǒng)也一定程度上采用了大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)的功能多是以監(jiān)測壓力點(diǎn)為主。

SCADA系統(tǒng)屬中小規(guī)模的測控系統(tǒng)。它集中了PLC系統(tǒng)的現(xiàn)場測控功能強(qiáng)和DCS系統(tǒng)的組網(wǎng)通訊能力的兩大優(yōu)點(diǎn)，性能價(jià)格比高。所以在燃?xì)庑袠I(yè)的管理中，SCADA系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)適用。

SCADA系統(tǒng)包括站控系統(tǒng)（SCS）和遠(yuǎn)程控制終端（RTU）以及現(xiàn)場儀表，可實(shí)現(xiàn)以下功能：

1.1 對燃?xì)鉁囟?、壓力、流量、可燃?xì)怏w濃度等參數(shù)設(shè)指示、記錄、報(bào)警;

1.2當(dāng)工藝裝置出現(xiàn)異常情況時(shí)，可實(shí)現(xiàn)緊急自動(dòng)停車，以保護(hù)人員和設(shè)備的安全：

1.3對門站、調(diào)壓站進(jìn)行視頻監(jiān)控和入侵報(bào)警，防止非正常進(jìn)入：

1.4對各級調(diào)壓站的工藝多數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

4總結(jié)

在我們的應(yīng)用實(shí)踐中，信息技術(shù)的應(yīng)用給燃?xì)庑袠I(yè)帶來很多直接或間接的效益，不僅提高了服務(wù)質(zhì)量和客戶滿意度，在解決一些技術(shù)問題上提供了直接的參考依據(jù)，建立先進(jìn)、可靠、完善的燃?xì)馍a(chǎn)指揮（SCADA）系統(tǒng)的優(yōu)勢如下：

1、 對天然氣管網(wǎng)和全部站場進(jìn)行監(jiān)視、控制，實(shí)時(shí)掌握站場運(yùn)行數(shù)據(jù)，維護(hù)生產(chǎn)過程的安全;

2、 及時(shí)處理操作報(bào)警，避免或降低事故造成的人身傷害、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境損壞，以確保用戶（居民、商服及企業(yè)單位等）正常、安全用氣：

3、 全自動(dòng)的抄表和記錄功能避免了大量的人為操作，在節(jié)省勞動(dòng)力的前提下還提高了數(shù)據(jù)的可靠性。

4、 本系統(tǒng)還可與其它的計(jì)算機(jī)應(yīng)用類系統(tǒng)相連接，實(shí)現(xiàn)資源信息共享，從而體現(xiàn)現(xiàn)代化的燃?xì)夤芾硭健?/p>

5、 本系統(tǒng)適用類型廣泛，主要適用于城市燃?xì)釹CADA系統(tǒng)。對ADSL和SCDMA無線數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)端RTU站數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)指揮調(diào)度中心軟件等內(nèi)容的研究和開發(fā)所得的相關(guān)技術(shù)也可以應(yīng)用于其它城市管網(wǎng)（如自米水、熱網(wǎng)）以及相關(guān)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，有很大的推廣價(jià)值。

結(jié)束語：

系統(tǒng)建成后，工作人員可根據(jù)系統(tǒng)提供的信息全面、實(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和狀況，最好地解決供需矛盾。以滿足工業(yè)及民用的需要。

燃?xì)馐且兹家妆瑲怏w，要求生產(chǎn)、輸配絕對安全，本系統(tǒng)提高了調(diào)度人員發(fā)現(xiàn)事故和分析事故的預(yù)見性，一且出現(xiàn)異常，可以及時(shí)采取有效措施，防止事故的發(fā)生和蔓延，從而保障了國家與人民財(cái)產(chǎn)的安全，具有顯著的安全效益。同時(shí)，系統(tǒng)建成后，可以根據(jù)運(yùn)行狀況及各環(huán)節(jié)的運(yùn)行數(shù)據(jù)等相關(guān)信息，進(jìn)行綜合分析、優(yōu)化調(diào)度，編制合理、經(jīng)濟(jì)的供氣方案，節(jié)約了氣源，人力、物力，減少了對環(huán)境的污染。

參考文獻(xiàn)

[1] 曾力1，張廣煜1.SCADA在城市燃?xì)夤?yīng)中的應(yīng)用【J】.煤氣與熱力第22卷第3期，文章編號：1000-4416（2002）03-0264-02

[2] SCADA 系統(tǒng)在燃?xì)庑袠I(yè)中的應(yīng)用

作者簡介：李志強(qiáng)，男，1975，新疆呼圖壁縣人，化學(xué)工程專業(yè)工程師，研究方向：化學(xué)工程安全管理。